第二章 第三节 化学反应的方向（Word教参）-【步步高】2024-2025学年高二化学选择性必修1学习笔记（人教版）

本讲义聚焦化学反应的方向这一核心知识点，从自发过程与自发反应的定义出发，通过分析焓变、熵变对反应方向的影响，最终构建自由能判据的认知模型，形成从宏观现象到微观本质的学习支架。 该资料特色在于结合实例（如H₂燃烧、水分解）引导学生进行证据推理，用表格归纳ΔH、ΔS与反应方向的关系培养科学思维。练习题涵盖基础判断与高考真题，课中辅助教师引导学生建构模型，课后帮助学生巩固知识、查漏补缺。

第三节　化学反应的方向 [核心素养发展目标]　1.知道化学反应是有方向的，通过宏观事实推理、建构化学反应的方向与反应的焓变和熵变的关系的认知模型。2.能结合具体事例说明反应自发进行的方向性。 一、自发过程与自发反应 1．自发过程 (1)含义：在一定条件下，不用借助外力就可以自发进行的过程。例如高山流水、自由落体。 (2)特点 ①体系趋向于从高能状态转变为低能状态(体系对外部做功或释放热量)。 ②在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序的倾向(无序体系更加稳定)。 (3)非自发过程：在一定条件下，需持续借助外力才能进行的过程。 2．自发反应 (1)含义：在给定的条件下，无需外界帮助，一经引发即能自动进行的反应，称为自发反应。例如钢铁生锈。 (2)非自发反应：不能自发进行，必须借助某种外力才能进行的反应。 3．应用 (1)自发反应可被用来做“有用功”。例如H2的燃烧可设计成燃料电池。 (2)非自发过程要想发生，必须对它做功。例如通电将水分解为H2和O2。 1．下列过程中属于自发过程的是______________(填序号)。 ①铵盐的溶解　②烧碱与盐酸反应　③Zn与稀H2SO4反应　④将地下水抽至地面　⑤Mg在空气中燃烧　⑥铝热反应　⑦墨水在水中的扩散　⑧电解熔融的氯化钠 答案　①②③⑤⑥⑦ 解析　将地下水抽至地面需要持续做功，电解熔融的氯化钠要在直流电作用下才能进行，均不属于自发过程。 2．已知：①2H2＋O22H2O；②2H2O2H2↑＋O2↑。①是自发反应，②是非自发反应，通过对上述反应的分析，思考： (1)自发反应不需要任何条件就能发生吗？ (2)非自发反应一定不能发生吗？ 提示　(1)自发反应也需要一定条件引发反应，一旦反应后即可自发进行。 (2)非自发反应在一定条件下能发生。 二、化学反应进行方向的判据 1．焓变与化学反应的方向 分析下列反应进行的方向与ΔH之间的关系。 (1)H2(g)＋O2(g)===H2O(l)，燃烧反应是________(填“吸”或“放”，下同)热反应，ΔH________(填“>”或“<”，下同)0，常温下能自发进行。 (2)Zn(s)＋CuSO4(aq)===ZnSO4(aq)＋Cu(s)，该反应是________热反应，ΔH________0，常温下______(填“能”或“不能”，下同)自发进行。 (3)Ba(OH)2·8H2O 和 NH4Cl的反应为________热反应，常温下________自发进行。 (4)2N2O5(g)4NO2(g)＋O2(g)，该反应是________热反应，ΔH________0，________自发进行。 答案　(1)放　<　(2)放　<　能　(3)吸　能　(4)吸　>　能 2．熵变与化学反应的方向 (1)熵、熵变的概念 (2)熵值大小 ①体系的熵值：体系的混乱程度越大，体系的熵值就越大。 ②同一种物质的熵值：S(g)＞S(l)＞S(s)，同一条件下，不同物质的熵值不同。 (3)熵变与化学反应进行方向的关系 ①自发进行的化学反应大多是熵增加的反应，有些熵减小的化学反应也能自发进行。不能只根据熵增或熵减来判断化学反应进行的方向。 ②与环境既没有物质交换也没有能量交换的孤立体系或绝热体系，自发过程总向着熵增加的方向进行。 (1)反应CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑的ΔS____(填“>”“<”或“＝”，下同)0，常温下__________(填“能”或“不能”，下同)自发进行。 答案　>　能 (2)2KClO3(s)===2KCl(s)＋3O2(g)该反应的ΔS____0，常温下________自发进行。 答案　>　能 (3)自发反应4Fe(OH)2(s)＋O2(g)＋2H2O(l)===4Fe(OH)3(s)的ΔS____0。 答案　< (4)二氧化碳通入澄清石灰水的反应Ca(OH)2(aq)＋CO2(g)===CaCO3(s)＋H2O(l)________自发进行。其ΔS____0。 答案　能　< 3．自由能与化学反应的方向 (1)自由能变化 符号为ΔG，单位为kJ·mol－1。 (2)自由能变化与焓变、熵变的关系：ΔG＝ΔH－TΔS。ΔG不仅与焓变和熵变有关，还与温度有关。 (3)反应方向与自由能的关系 化学反应总是向着自由能减小的方向进行，直到体系达到平衡。 ①当ΔG＜0时，反应能自发进行； ②当ΔG＝0时，反应处于平衡状态； ③当ΔG＞0时，反应不能自发进行。 类型 ΔH ΔS ΔG 反应的自发性 1 <0 >0 <0 一定能自发 2 >0 <0 >0 一定不能自发 3 <0 <0 正负决定于温度 低温能自发 4 >0 >0 高温能自发 (1)在其他外界条件不变的情况下，使用催化剂，可以改变化学反应进行的方向(　　) (2)自由能变化ΔG＜0的化学反应一定能迅速发生(　　) (3)SO2(g)===S(g)＋O2(g)　ΔH>0，ΔS>0，该反应不能自发进行(　　) (4)NH4HCO3(s)===NH3(g)＋H2O(g)＋CO2(g)　ΔH＝＋185.57 kJ·mol－1能自发进行，原因是体系有自发地向混乱度增加的方向转变的倾向(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√ 1．(2022·浙江1月选考，20)AB型强电解质在水中的溶解(可视作特殊的化学反应)表示为AB(s)===An＋(aq)＋Bn－(aq)，其焓变和熵变分别为ΔH和ΔS。对于不同组成的AB型强电解质，下列说法正确的是(　　) A．ΔH和ΔS均大于零 B．ΔH和ΔS均小于零 C．ΔH可能大于零或小于零，ΔS大于零 D．ΔH和ΔS均可能大于零或小于零 答案　D 解析　强电解质溶于水有的放热，如硫酸铜等；有的吸热，如碳酸氢钠等，所以在水中溶解对应的ΔH可能大于零或小于零。熵表示系统混乱程度，体系越混乱，则熵越大。AB型强电解质固体溶于水，存在熵的变化，固体转化为离子，混乱度是增加的，但离子在水中存在水合过程，这样会引发水的混乱度的变化，让水分子会更加规则，即水的混乱度下降，所以整个溶解过程的熵变ΔS取决于固体转化为离子的熵增与水合过程的熵减两个作用的相对大小关系，若是前者占主导，则整个溶解过程熵增，即ΔS＞0，反之，熵减，即ΔS＜0。 2．已知在100 kPa、298.15 K时，石灰石发生分解反应：CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)　ΔH＝＋178.3 kJ·mol－1　ΔS＝＋160.4 J·mol－1·K－1，则 (1)该反应________(填“能”或“不能”)正向自发进行。 (2)若温度能决定反应方向，则该反应正向自发进行的最低温度为____________。 答案　(1)不能　(2)1 111.6 K 解析　(1)ΔG＝ΔH－TΔS＝178.3 kJ·mol－1－298.15 K×160.4×10－3 kJ·mol－1·K－1≈130.5 kJ·mol－1＞0，所以该反应不能正向自发进行。 (2)根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0时，反应可正向自发进行，则有T＞≈1 111.6 K。 3．在化学反应A(g)＋B(g)2C(g)＋D(g)　ΔH＝Q kJ·mol－1过程中的能量变化如图所示，回答下列问题。 (1)Q________(填“>”“<”或“＝”，下同)0。 (2)熵变ΔS________0。 (3)该反应________(填“能”或“不能”)自发进行。 (4)升高温度平衡常数K________(填“增大”“减小”或“不变”)，平衡向________(填“正反应”或“逆反应”)方向移动。 答案　(1)<　(2)>　(3)能　(4)减小　逆反应 解析　据图像可知，该反应是放热反应，故Q<0；据反应特点可知，该反应是熵增的反应；据ΔG＝ΔH－TΔS<0可知该反应能自发进行；升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小。 (选择题1～13题，每小题7分，共91分) 题组一　自发过程和自发反应 1．下列关于自发过程的叙述正确的是(　　) A．只有不需要任何条件就能够自动进行的过程才是自发过程 B．需要加热才能进行的过程肯定不是自发过程 C．同一可逆反应的正、逆反应在不同条件下都有自发的可能 D．非自发过程在任何条件下都不可能变为自发过程 答案　C 解析　在一定条件下，不用借助外力即可自发进行的过程为自发过程，所以自发过程也需要特定的条件，A、B项错误；可逆反应在不同的条件下，可以向不同方向自发进行，C项正确；改变条件，可以使某些非自发过程转变为自发过程，D项错误。 2．下列反应属于非自发反应的是(　　) A．铁与稀盐酸反应 B．氢气在氧气中燃烧生成水 C．水分解变成氢气和氧气 D．氨气和氯化氢相遇变成氯化铵 答案　C 题组二　反应焓变与反应方向 3．下列关于化学反应的焓变的叙述正确的是(　　) A．化学反应的焓变与反应的方向性无关 B．化学反应的焓变直接决定了反应的方向 C．焓变为正的反应都是吸热反应 D．焓变为正的反应都能自发进行 答案　C 解析　焓变与反应的方向性有关，A项错误；化学反应的焓变不能直接决定化学反应的方向，还要结合熵变等条件，B、D项错误。 4．下列自发反应可用焓判据来解释的是(　　) A．2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g) ΔH＝＋56.7 kJ·mol－1 B．(NH4)2CO3(s)===NH4HCO3(s)＋NH3(g) ΔH＝＋74.9 kJ·mol－1 C．2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) ΔH＝－571.6 kJ·mol－1 D．CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g) ΔH＝＋178.2 kJ·mol－1 答案　C 解析　从焓变的角度分析，化学反应由高能状态向低能状态转化，有使体系能量降低的趋势，表现为放热反应较易进行。 题组三　反应熵变与反应方向 5．下列对熵的理解错误的是(　　) A．同种物质气态时熵值最大，固态时熵值最小 B．体系越有序，熵值越小；越混乱，熵值越大 C．与外界隔离的体系，自发过程将导致体系的熵减小 D．25 ℃、1.01×105 Pa时，2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)是熵增反应 答案　C 解析　C项，体系都有从有序自发转变为无序的倾向，此过程为熵增过程，错误。 6．下列变化过程为熵增的是(　　) A．2NH4NO3(s)===2N2(g)＋4H2O(g)＋O2(g) B．CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g) C．2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g) D．3O2(g)===2O3(g) 答案　A 解析　反应CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)有气体参与反应，但反应前后气体分子数没有变化，熵没有增加，B错误；C、D项反应中均有气体参与反应，反应后气体分子数减少，变化过程为熵减，错误。 题组四　自由能与反应进行方向的判断 7．(2023·湘鄂冀三省七校月考)关于反应CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH<0。下列说法正确的是(　　) A．该反应是熵增大的反应(即ΔS>0) B．该反应在低温条件下能较快发生 C．该反应是放热反应，能在任何温度下自发进行 D．反应是否自发要综合考虑焓变和熵变两个因素 答案　D 解析　该反应反应前后气体的物质的量减小，是熵减小的反应，A错误；ΔH－TΔS<0的反应可自发进行，该反应的ΔH<0、ΔS<0，即该反应在低温时可自发进行，但反应速率较慢，B、C错误；反应是否自发要综合考虑焓变和熵变两个因素，D正确。 8．研究化学反应进行的方向对于反应设计等具有重要意义，下列说法正确的是(　　) A．ΔH<0、ΔS>0的反应在低温时不能自发进行 B．在其他外界条件不变的情况下，汽车排气管中使用催化剂，可以改变产生尾气的反应的方向 C．反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)在室温下不能自发进行，说明该反应的ΔH<0 D．高温下，反应MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)能自发进行，则其ΔH>0、ΔS>0 答案　D 解析　对于ΔH<0、ΔS>0的反应，任何温度下都有ΔH－TΔS<0，即在任何温度下反应均能自发进行，A项错误；催化剂只能改变反应速率，不改变反应的方向，B项错误；反应CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g)的ΔS>0，由于在室温下不能自发进行，所以此时ΔG＝ΔH－TΔS>0，即该反应的ΔH>0，C项错误；反应MgCl2(l)===Mg(l)＋Cl2(g)的ΔS>0，高温下该反应能自发进行，则ΔH>0，D项正确。 9．下列内容与原因或结论不对应的是(　　) 选项 内容 原因或结论 A H2O(g)变成H2O(l) 该过程ΔS>0 B 硝酸铵溶于水可自发进行 因为ΔS>0 C 一个反应的ΔH>0、ΔS<0 该反应不能自发进行 D H2(g)＋F2(g)2HF(g)的ΔH＝－271 kJ·mol－1、ΔS＝＋8 J·mol－1·K－1 该反应在任何温度下均可自发进行 答案　A 解析　H2O(g)变成H2O(l)，体系混乱度减小，则ΔS<0，A错误；常温下硝酸铵溶于水是一个能自发进行的吸热过程，硝酸铵溶解生成自由移动的离子，是熵增大的过程，ΔS>0，B正确；一个反应的ΔH>0、ΔS<0，则ΔH－TΔS>0，所以该反应不能自发进行，C正确；ΔH＝－271 kJ·mol－1，ΔS＝＋8 J·mol－1·K－1，由ΔH－TΔS<0的反应可自发进行可知，该反应在任何温度下都能自发进行，D正确。 10．(2024·江西浮梁县第一中学高二期中)光气(COCl2)在有机合成中常作氯化剂。工业制备原理：CO(g)＋Cl2(g)COCl2(g)　ΔH。下列叙述错误的是(　　) A．相对于曲线a，曲线b代表加入催化剂 B．加入催化剂和增大CO浓度都能提高活化分子百分率 C．上述反应的逆反应为熵增的吸热反应 D．升高温度，上述反应的平衡常数减小 答案　B 解析　由图像可知，加入催化剂，反应的活化能降低，A项正确；增大反应物浓度能提高单位体积内活化分子总数，不能提高活化分子百分率，B项错误；上述反应的逆反应是气体分子数增大的吸热反应，C项正确；该反应的正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，D项正确。 11．灰锡结构松散，不能用于制造器皿，而白锡结构坚固，可以制造器皿。现把白锡制成的器皿放在0 ℃、100 kPa的室内存放，它会不会变成灰锡而不能再继续使用(已知：在0 ℃、100 kPa条件下白锡转化为灰锡的反应焓变和熵变分别为ΔH＝－2 180.9 J·mol－1，ΔS＝－6.61 J·mol－1·K－1)(　　) A．会变成灰锡 B．不会变成灰锡 C．不能确定 D．升高温度才会变成灰锡 答案　A 解析　在0 ℃、100 kPa条件下，白锡会不会变为灰锡的问题即为求算反应：白锡→灰锡的ΔH－TΔS值的问题。ΔH－TΔS＝－2 180.9 J·mol－1－273 K×(－6.61 J·mol－1·K－1)＝－376.37 J·mol－1<0，因此在该条件下白锡会变为灰锡。 12．汽车尾气(含烃类、CO、NO与SO2等)是城市主要污染源之一，治理的办法之一是在汽车排气管上装催化转化器，它使NO与CO反应生成可参与大气生态循环的无毒气体，反应原理：2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)，在298 K、100 kPa下，ΔH＝－113 kJ·mol－1、 ΔS＝－145 J·mol－1·K－1。下列说法错误的是(　　) A．该反应中反应物的总能量高于生成物的总能量 B．该反应常温下不能自发进行，因此需要高温和催化剂 C．该反应常温下能自发进行，高温和催化剂只是加快反应的速率 D．汽车尾气中的这两种气体会与血红蛋白结合而使人中毒 答案　B 解析　该反应是放热反应，反应物的总能量高于生成物的总能量，A项正确；常温下，ΔH－TΔS＝－113 kJ·mol－1－298 K×[－145 J·mol－1·K－1]×10－3 kJ·J－1＜0，故常温下该反应可自发进行，高温和催化剂只是加快反应速率，B项错误，C项正确。 13.焦炭常用于冶炼工业。已知反应①：2C(s)＋O2(g)===2CO(g)；反应②：2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g)，反应①、②的反应趋势与温度关系如图所示(假设ΔH、ΔS不随温度变化)。下列说法错误的是(　　) A．反应②2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g)的ΔS<0，ΔH<0 B．983 K是两个反应主次趋势变化的转折点 C．L1对应反应① D．当温度低于983 K时，过量焦炭的氧化产物以反应②生成CO2为主 答案　C 解析　根据化学方程式可知，反应②的ΔS<0，则－TΔS>0，根据273 K时，ΔG＝ΔH－TΔS<0，所以ΔH<0，A正确；ΔG越小，说明反应能够发生的趋势越大，983 K时两反应的ΔG相等，之后两反应的ΔG大小关系发生变化，则反应主次趋势发生变化，B正确；反应①的ΔS>0，根据ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG和T成反比，所以斜率小于0，L2对应反应①，L1对应反应②，C错误；当温度低于983 K时，L1的ΔG更小，所以过量焦炭的氧化产物以反应②生成CO2为主，D正确。 14．(6分)已知一个可逆反应，若正反应为自发过程，则其逆反应为非自发过程，反之，亦然。 (1)已知2CO(g)CO2(g)＋C(s)，T＝980 K时，ΔH－TΔS＝0。当体系温度低于980 K时，估计ΔH－TΔS________(填“大于”“小于”或“等于”，下同)0；当体系温度高于980 K时，估计ΔH－TΔS________0。 (2)电子工业中清洗硅片上SiO2(s)的反应为SiO2(s)＋4HF(g)===SiF4(g)＋2H2O(g)　ΔH(298.15 K)＝－94.0 kJ·mol－1、ΔS(298.15 K)＝－75.8 J·mol－1·K－1，设ΔH和ΔS不随温度而变化，则此反应自发进行的温度范围是________。 答案　(1)小于　大于　(2)T＜1 240 K 解析　(1)C(s)＋CO2(g)2CO(g)的反应为吸热反应，ΔH＞0，则2CO(g)CO2(g)＋C(s)为放热反应，ΔH＜0，且该反应ΔS＜0，则当T＜980 K时，ΔH－TΔS＜0，T＞980 K时，ΔH－TΔS＞0。 (2)由题给信息可知，要使反应能自发进行，应有ΔH－TΔS＜0，即－94.0 kJ·mol－1－T×(－75.8×10－3 kJ·mol－1·K－1)＜0，则T＜≈1 240 K。 15．(3分)工业上，常采用“加碳氯化”的方法以高钛渣(主要成分为TiO2)为原料生产TiCl4，相应的化学方程式为 Ⅰ.TiO2(s)＋2Cl2(g)TiCl4(g)＋O2(g)　ΔHⅠ＝＋181 kJ·mol－1，KⅠ＝3.4×10－29 Ⅱ.2C(s)＋O2(g)2CO(g)　ΔHⅡ＝－221 kJ·mol－1，KⅡ＝1.2×1048 结合数据说明氯化过程中加碳的理由：_________________________________________ __________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　反应Ⅰ＋Ⅱ 得：TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)===TiCl4(g)＋2CO(g)，ΔH＝ΔHⅠ＋ΔHⅡ＝－40 kJ·mol－1，K＝KⅠ·KⅡ＝4.08×1019，K远大于KⅠ，反应Ⅱ使TiO2氯化为TiCl4得以实现；反应Ⅱ的ΔH<0，反应Ⅱ可为反应Ⅰ提供所需的能量 学科网（北京）股份有限公司 $